CN105973512A - 一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪，属于压电测力、石油勘探等领域。包括盘式发电机、法兰、测力仪上下盖、单向压电传感器、电路部分和端盖等。集信号采集和信号处理与一体：集信号采集功能由扭矩测力***完成，由上下盖及两个以石英晶体为敏感元件的单向压电传感器组成；信号处理由电路部分完成，主要起到稳压、电荷放大、A/D转换、数据发送等作用，将采集到的扭矩信号处理后通过蓝牙模块与上位机进行通讯，实现信号的无线传输以及实时监测。装置的盘式发电机为整个***提供电能，避免了传统测试***供电线冗余的问题。本发明频率响应和瞬态响应良好，灵敏度高，工作可靠，结构紧凑，极大拓宽了压电式测试***的应用范围。

Description

一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪
技术领域
本发明属于传感、测控领域，涉及一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪，利用压电式测力装置、发电装置以及信号处理模块，解决了钻井过程中对钻杆扭矩进行实时状态监测的问题，在石油钻井、地质勘查、工程机械等领域有较多的应用。
背景技术
钻井过程中监测钻杆扭矩的变化,可以早期发现井斜和井下压力异常，并且可以判断钻头和钻杆的工作状况,对防止在复杂地层中钻杆的扭断和钻井事故的预防尤为重要,是钻井工程中必须测控的参数之一。目前国内外多用电阻应变式扭矩测力仪对钻杆的扭矩进行监测。
电阻应变式扭矩测力仪的测量原理是：在弹性结构上粘贴电阻应变片，受到外力时，电阻应变片随着弹性结构一起产生弹性变形，电阻应变计将变形转化为电阻值的变化，然后通过计算可以测量力的大小。这种测力仪具有精度高、性能稳定、非线性及滞后误差小、使用灵活等优点。但由于电阻应变式扭矩测力仪的刚度小，动态测试性能较差，信号线及供电线冗杂，大大限制了其在扭矩测量领域中的应用。
传统的压电式扭矩测力仪大多应用于铣、钻、磨削加工等过程的切削力测量。其特点是高刚度、高固有频率、高灵敏度，更重要的是频率响应和瞬态响应良好。但由于传统的压电式扭矩测力仪在信号传输、结构尺寸、测量范围等方面的约束，使其不能直接应用于钻井平台中对钻杆的状态监测，因此有必要研制一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪。
发明内容
本发明要解决的技术难题是改变传统的压电式扭矩测力仪的信号传输方式、结构尺寸大小、测量范围等，使其应用于某些特定场合，而发明一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪。本发明技术性能好，工作可靠，结构紧凑，极大拓宽了压电式测试***的应用范围。
本发明的技术方案：
一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪，包括盘式发电机、T形法兰、测力仪上盖、单向压电传感器、测力仪下盖、工形法兰、电路部分、端盖以及螺栓，盘式发电机套在T形法兰上，二者中心线重合，盘式发电机的轴向位移和周向位移分别通过T形法兰上设有的端面凸台和键配合限制；T形法兰通过螺栓与测力仪上盖紧固在一起；单向压电传感器分别与测力仪上盖设有的凸形块侧表面和测力仪下盖设有的凹形槽内表面贴合，三者通过预紧螺栓固定，其中凸形块和凹形槽主体均为长方体结构；工形法兰通过其上设有的上圆盘和下圆盘分别与测力仪下盖和端盖通过螺栓刚性连接，工形法兰内腔用于置放电路部分，电路部分通过螺钉与端盖连接；盘式发电机产生的电能通过工形法兰周向设有的航空插头传输到电路部分，电路部分主要起到稳压、电荷放大、A/D转换、数据发送等作用，将采集到的扭矩信号处理后通过蓝牙模块与上位机进行通讯。T形法兰和端盖均设有万向节安装孔，便于与万向节连接，两个万向节分别与动力输入轴和钻杆连接后，即可投入使用。
所述的凸形块侧表面与凹形槽内表面相互平行。
本发明的有益效果：设计发明的一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪，改变了传统扭矩测力仪的信号传输方式以及***供电方式，具有高刚度、高固有频率、高灵敏度等优点。本发明设计合理、体积小、测量精度高，在石油、天然气勘探等方面具有广泛的应用。
附图说明
图1是本发明的自发电无线传输压电式扭矩测力仪示意图。
图2是本发明的自发电无线传输压电式扭矩测力仪中T形法兰示意图。
图3是本发明的自发电无线传输压电式扭矩测力仪中测力仪上盖与单向压电传感器装配示意图。
图4是本发明的自发电无线传输压电式扭矩测力仪中测力仪下盖示意图。
图5是本发明的自发电无线传输压电式扭矩测力仪中工形法兰示意图。
图6是本发明的自发电无线传输压电式扭矩测力仪中端盖与电路部分示意图。
图7是本发明的力学简化模型。
图中：1 盘式发电机；2 T形法兰；3 端面凸台；4 键；5 测力仪上盖；6 单向压电传感器；7 测力仪下盖；8 预紧螺栓；9 工形法兰；10 上圆盘；11 下圆盘；12 端盖；13 工形法兰内腔；14 电路部分；15 航空插头；16 万向节安装孔；a凸形块侧表面；b 凹形槽内表面。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
盘式发电机1套在T形法兰2上，二者中心线重合，T形法兰2上设有的端面凸台3限制了盘式发电机1的轴向位移，盘式发电机1的周向位移通过键4进行限制。T形法2兰通过螺栓连接与测力仪上盖5紧固在一起。单向压电传感器6分别与测力仪上盖5设有的的凸形块侧表面a和测力仪下盖7设有的凹形槽内表面b贴合，并用预紧螺栓8固定。工形法兰9设有的上圆盘10与测力仪下盖7通过螺栓连接，下圆盘11与端盖12通过螺栓连接，工形法兰9设有的内腔13用于置放电路部分14，电路部分14通过螺钉与端盖12连接。盘式发电机产生的电能通过工形法兰周向设有的航空插头15传输到电路部分14，电路部分14主要起到电荷放大、A/D转换、数据发送等作用，将采集到的扭矩信号处理后通过蓝牙模块与上位机进行通讯，实现了钻杆扭矩状态的实时监测，防止危险事故的发生。T形法兰2和端盖12均设有万向节安装孔16，便于与万向节连接，两个万向节分别与动力输入轴和钻杆连接，就可以投入使用。
根据力矩平衡原理，动力输入轴输入扭矩与钻杆受到的摩擦力矩相等。用数学公式表达即为：Mf＝Min＝(F1+F2)d
式中Mf为摩擦力矩，Min为输入扭矩，F1、F2分别为两个单项压电传感器测得的正压力，d为力臂。
虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但并非用上述实施例限定本发明。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明所给出的技术特征和范围的情况下，对技术所作的增加、以本领域一些同样内容的替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种自发电无线传输压电式扭矩测力仪，其特征在于，该自发电无线传输压电式扭矩测力仪包括盘式发电机、T形法兰、测力仪上盖、单向压电传感器、测力仪下盖、工形法兰、电路部分、端盖以及螺栓，盘式发电机套在T形法兰上，二者中心线重合，盘式发电机的轴向位移和周向位移分别通过T形法兰上设有的端面凸台和键配合限制；T形法兰通过螺栓与测力仪上盖紧固在一起；单向压电传感器分别与测力仪上盖设有的凸形块侧表面和测力仪下盖设有的凹形槽内表面贴合，三者通过预紧螺栓固定，其中凸形块和凹形槽主体均为长方体结构；工形法兰通过其上设有的上圆盘和下圆盘分别与测力仪下盖和端盖通过螺栓刚性连接，工形法兰内腔用于置放电路部分，电路部分通过螺钉与端盖连接；盘式发电机产生的电能通过工形法兰周向设有的航空插头传输到电路部分，电路部分将采集到的扭矩信号处理后通过蓝牙模块与上位机进行通讯；T形法兰和端盖均设有万向节安装孔，便于与万向节连接，两个万向节分别与动力输入轴和钻杆连接后，即投入使用。
2.根据权利要求1所述的自发电无线传输压电式扭矩测力仪，其特征在于，所述的凸形块侧表面与凹形槽内表面相互平行。
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